Введение к работе
Актуальность темы
Исследование ультратонких магнитных систем, интенсивно осуществляемое с 1980-х годов, привело к открытию целого ряда новых явлений, важных как с точки зрения развития фундаментальных основ магнетизма, так и приложений в микроэлектронике. Явления гигантского и туннельного магнитосопротивления, туннельного магнитного перехода стали основой для изобретения считывающих головок для жестких дисков, ячеек магниторезистивнои магнитной записи (MRAM), магнитных записывающих устройств высокой плотности.
Дальнейшее развитие современной микроэлектроники
характеризуется переходом к наномаштабам. При этом роль поверхности, межфазного взаимодействия разнородных материалов вдоль границы раздела во влиянии на физические свойства элементов малых размеров становятся значительными и зачастую определяющими. Поэтому особый интерес представляет изучение свойств ультратонких пленок, образующихся на поверхности различных материалов в результате напыления или адсорбционных процессов.
Значительные достижения в технологии получения различных материалов и покрытий и появление новых точных методов кристаллографического анализа свойств поверхности позволяют в настоящее время получать высокого качества ультратонкие пленки и мультислойные покрытия на основе магнитных переходных металлов Fe, Со, Ni и детально изучать их свойства [1, 2]. Исследование природы магнетизма в таких структурах имеет большой фундаментальный интерес из-за возникающей в них размерной зависимости для магнитных характеристик, которые демонстрируют переход от характерных объемных значений для пленок с толщиной в несколько десятков монослоев (d > 10 нм) к двумерным поверхностным значениям в пленках с толщиной меньшей 5-7 монослоев (d < 1-2 нм) [3, 4].
Магнитные пленки обладают рядом уникальных особенностей, способствующих повышению плотности записи информации и быстродействия запоминающих устройств. Однако ряд требований, предъявляемых к запоминающим устройствам: надежность и длительность хранения информации, малое время доступа, низкая относительная стоимость на единицу информации, высокая плотность и скорость записи, - накладывают вполне определенные требования к структурным и магнитным характеристикам магнитных пленок. Получать такие пленки можно только зная механизмы формирования их свойств.
Цель работы
Развитие методики теоретического описания процесса адсорбции и расчета энергетических, структурных и магнитных свойств ультратонких
ферромагнитных пленок на основе метода функционала спиновой плотности с учетом эффектов магнитного упорядочения и пространственного распределения намагниченности в приповерхностной области.
Исследование влияния магнитного упорядочения на характеристики адсорбции на примере монослойных пленок переходных металлов Fe, Со и Ni при их осаждении на немагнитных подложках W, Си, Ag и Au, а также выявление условий реализации различных поверхностных структур при учете температурно стимулированных процессов перемешивания атомов адсорбата и подложки.
Научная новизна результатов
Впервые осуществлено теоретическое описание влияния эффектов ферромагнитного упорядочения на заместительную (активированную) адсорбцию магнитных ионов переходных металлов на немагнитной металлической подложке с образованием ультратонкой ферромагнитной пленки.
Впервые показано, что учет пространственного распределения намагниченности в приповерхностной области оказывает существенное влияние на реализацию различных поверхностных структур и величину энергии адсорбции.
Впервые в рамках функционала спиновой плотности проведены численные расчеты энергетических, структурных и магнитных характеристик для различных композитов из переходных металлов Fe, Со, Ni на плотноупакованных гранях немагнитных подложек из Си, Ag, Аи и W.
Научная и практическая значимость работы
Область применения результатов проведенных исследований: магнитоэлектроника, спинтроника, физика поверхностных явлений и магнитных фазовых переходов.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования разработанной методики для самосогласованных расчетов энергетических, структурных и магнитных характеристик для ультратонких пленок на металлических поверхностях.
Полученные в диссертации новые результаты позволяют понять влияние поверхности на магнетизм ультратонких пленок и влияния магнитных эффектов на характеристики адсорбционных процессов при образовании данных пленок, а также предсказать типы возможных поверхностных структур, возникающих при адсорбции переходных металлов на немагнитных подложках.
Выявленные условия реализации процессов перемешивания магнитных ионов адсорбата с ионами немагнитной подложки позволяют характеризовать качество межфазной границы раздела, что существенно
может сказаться на величине коэффициента магнитосопротивления в мультислойных магнитных структурах на основе данных материалов.
Основные положения, выносимые на защиту
Разработанная методика теоретического описания процесса адсорбции и расчета энергетических, структурных и магнитных свойств ультратонких ферромагнитных пленок переходных металлов (Fe, Со, Ni) на немагнитных подложках (Си, W, Ag, Аи) с учетом эффектов перемешивания атомов адсорбата и подложки на основе метода функционала спиновой плотности.
Введение неоднородного пространственного распределения намагниченности системы, параметры которого, как и параметры распределения электронной плотности, определяются самосо гласо ван но.
Применение для описания температурной зависимости намагниченности в приповерхностной области приближения молекулярного поля, а также двухмерной модели Изинга и XY-модели, учитывающих эффекты анизотропии ультротонкой ферромагнитной пленки.
Обнаруженное существенное влияние на величину энергии адсорбции эффектов спонтанного намагничивания в пленках из ферромагнитных материалов. Предсказываемое изменение энергетических характеристик существенно зависит от соответствия параметров структур и поверхностных энергий наносимого магнитного материала и материала подложки.
Зависимость пространственного распределения намагниченности в приповерхностном слое и образования различных типов поверхностных структур от соответствия поверхностных энергий и параметров кристаллической решетки у материала подложки и материала пленки.
Личный вклад диссертанта заключается в непосредственном участии на всех этапах научно-исследовательской работы по теме диссертации: в постановке задач научного исследования, теоретическом описании явления, проведении аналитической и вычислительной работы на ПЭВМ, анализе и обсуждении результатов расчета. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены автором.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на Московском Международном Симпозиуме по Магнетизму MISM-2011 (Москва), на 2-й международной конференции по мультимедиа технологиям ICMT2011 (Ханчжоу, Китай), на научном семинаре по вычислительной физике организованном ИКИ РАН и ИТФ РАН им. /Іандау (Таруса, 2011), на XXXIV и XXXV региональной научно-практической студенческой конференции «Молодежь III тысячелетия» (Омск, 2010 и
2011гг.), на научных семинарах кафедры теоретической физики ОмГУ им. Ф.М.Достоевского.
Публикации
Список публикаций автора по теме диссертационной работы включает 11 статей и тезисов докладов, опубликованных в российских журналах, сборниках трудов и материалах конференций.
Структура и объем диссертации
